DE102011109469A1 - Kinematics component for arrangement at non-exhaust gas leading outer region of supercharger, is made from alloyed steel from group comprising ferritic chromium steels, austenitic steels and duplex steels - Google Patents

Abstract

The kinematics component is made from the alloyed steel from the group comprising ferritic chromium steels, austenitic steels and duplex steels, where a high-strength outer layer is provided with dissolved nitrogen. An independent claim is also included for a high-temperature nitriding method for the manufacturing of a kinematics component.

Description

Die Erfindung betrifft Kinematikkomponenten, wie sie an dem nicht Abgas führenden Außenbereich eines Abgasturboladers angeordnet sind, sowie den Abgasturbolader selbst, und die Herstellung solcher Kinematikkomponenten unter Verwendung eines Hochtemperaturnitrierverfahrens.The invention relates to kinematic components, as they are arranged on the non-exhaust leading outside of an exhaust gas turbocharger, and the exhaust gas turbocharger itself, and the production of such kinematic components using a high-temperature nitriding.

Bislang werden zur Herstellung von trocken laufenden, ungeschmierten Kinematikkomponenten, die für die Montage an dem nicht Abgas führenden Außenbereich von Abgasturboladern vorgesehen sind, rostfreie, austenitische Stähle eingesetzt. Bei den betreffenden Kinematikkomponenten handelt es sich um kinematische Anbauteile wie etwa Stellelemente für die Druckdose oder Aktuatoren am Abgasturbolader. Diese befinden sich außerhalb des Abgasstromes, unterliegen jedoch einer Betriebstemperatur bis ca. 250°C, und hoher mechanischer Beanspruchung. Sie sind dadurch neben der Korrosion auch erhöhtem Verschleiß ausgesetzt. Die Betriebsfestigkeit berücksichtigt bisher primär die Korrosionsbeständigkeit und nicht die Verschleißfestigkeit. Die bis dato verwendeten Materialien genügen daher unter hoher mechanischer Belastung nur mäßigen Ansprüchen bezüglich der Verschleißbeständigkeit.To date, stainless, austenitic steels are used for the production of dry running, unlubricated kinematics components, which are intended for mounting on the non-exhaust leading outside of exhaust gas turbochargers. The relevant kinematics components are kinematic attachments such as adjusting elements for the pressure cell or actuators on the turbocharger. These are located outside the exhaust gas flow, but are subject to an operating temperature of up to 250 ° C, and high mechanical stress. They are thus exposed to corrosion as well as increased wear. The fatigue strength so far primarily takes into account the corrosion resistance and not the wear resistance. The materials used to date therefore meet only moderate demands in terms of wear resistance under high mechanical stress.

Bekannte Verfahren zur Steigerung der Verschleißbeständigkeit (insbesondere der Härte), wie etwa konventionelles Nitrieren bei ca. 550°C, sind bei hochlegierten rostfreien Stählen wie den genannten austenitischen Stählen nicht geeignet, dort führt das konventionelle Nitrieren zur deutlichen Verschlechterung der Karrosionsbeständigkeit infolge der Ausscheidung von Chromnitriden.Known methods for increasing the wear resistance (in particular the hardness), such as conventional nitriding at about 550 ° C, are not suitable for high-alloyed stainless steels such as the austenitic steels mentioned, there conventional nitriding leads to a significant deterioration of the corrosion resistance due to the excretion of chromium nitrides.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ergibt sich die Aufgabe, die Festigkeit (Härte) und damit den Verschleißwiderstand bei den trocken laufenden, ungeschmierten Kinematikkomponenten für den nicht Abgas führenden Außenbereich von Abgasturboadern ohne Verlust der Korrosionsbeständigkeit des Werkstoffes zu erhöhen.Based on this prior art, the object is to increase the strength (hardness) and thus the wear resistance in the dry-running, unlubricated kinematics for the non-exhaust leading outdoor area of turbochargers without loss of corrosion resistance of the material.

Diese Aufgabe wird durch eine Kinematikkomponente mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Anspruchs 3 gelöst.This object is achieved by a kinematics component with the features of claim 1 and by an exhaust gas turbocharger having the features of claim 3.

Ferner wird mit den Merkmalen des Anspruchs 4 die Verwendung eines Hochtemperaturnitrierverfahrens bei der Herstellung der Kinematikkomponente offenbart.Further, the features of claim 4 discloses the use of a high temperature nitriding process in the manufacture of the kinematics component.

Weiterbildungen der Gegenstände der Erfindung sind in den Unteransprüchen ausgeführt.Further developments of the objects of the invention are set forth in the subclaims.

Eine erfindungsgemäße Kinematikkomponente, die zur Anordnung an einem nicht Abgas führenden Außenbereich eines Abgasturboladers vorgesehen ist, besteht aus einem korrosionsbeständigen hochlegierten Stahl, etwa einem ferritischen Chromstahl, einem austenitischen Stahl oder einem Duplexstahl, und weist eine hochfeste Randschicht mit gelöstem Stickstoff auf.A kinematics component according to the invention, which is intended to be arranged on a non-exhaust-carrying outer region of an exhaust gas turbocharger, consists of a corrosion-resistant high-alloy steel, such as a ferritic chromium steel, an austenitic steel or a duplex steel, and has a high-strength surface layer with dissolved nitrogen.

Beispielhafte korrosionsbeständige Stähle haben die Werkstoffnummern 1.4016, 1.4104, 1.4113 (ferritische Chromstähle), 1.4301, 1.4404, 1.4435 (austenitische Stähle) und 1.4462 (Duplexstahl).Exemplary corrosion-resistant steels have the material numbers 1.4016, 1.4104, 1.4113 (ferritic chrome steels), 1.4301, 1.4404, 1.4435 (austenitic steels) and 1.4462 (duplex steel).

Die hochfeste aufgestickte Randschicht mit gelöstem Stickstoff kann durch das Hochtemperaturnitrieren der Kinematikkomponente aufgebaut werden und verleiht dem Bauteil aus einem korrosionsbeständigen hochlegierten Stahl verbesserte Verschleissbeständigkeit und dynamische Belastbarkeit, ohne dessen gute Eigenschaften hinsichtlich Korrosionsbeständigkeit zu reduzieren.The high-strength embroidered nitrogen-filled surface layer can be built up by high-temperature nitriding of the kinematics component and gives the corrosion-resistant high-alloy steel member improved wear resistance and dynamic loadability without reducing its good corrosion resistance properties.

Die Kinematikkomponenten können beispielsweise Stellelemente für eine Druckdose bzw. Unterdruckdose des Abgasturboladers sein, die einer erhöhten Betriebstemperatur von bis zu 250°C und hoher mechanischer Beanspruchung ausgesetzt sind.The kinematic components can be, for example, adjusting elements for a pressure cell or vacuum box of the exhaust-gas turbocharger, which are exposed to an elevated operating temperature of up to 250 ° C. and high mechanical stress.

Durch das Hochtemperaturnitrieren im Temperaturbereich von 1000°C bis 1200°C in stickstoffhaltigen Medien mit einem nachfolgenden schnellen Abkühlvorgang, so dass der Stickstoff in der Matrix gelöst bleibt, keine Verbindung mit dem Chrom eingeht und nicht als Nitrid ausgeschieden wird. Damit kommt es nicht zur Chrom-Verarmung im Gefüge, die bei konventionellem Nitrieren der hochlegierten ferritischen Cr-Stähle, austenitischen Stähle oder Duplex-Stähle auftrat und zur Verringerung oder gar Aufhebung der Korrosionsbeständigkeit geführt hat.By high-temperature nitriding in the temperature range of 1000 ° C to 1200 ° C in nitrogen-containing media with a subsequent rapid cooling process, so that the nitrogen remains dissolved in the matrix, no connection with the chromium and is not precipitated as nitride. Thus, there is no chromium depletion in the microstructure, which has occurred in conventional nitriding of high-alloy ferritic Cr steels, austenitic steels or duplex steels and has led to the reduction or even abolition of corrosion resistance.

Das Abschrecken nach der thermochemischen Behandlung (Hochtemperaturnitrieren) lässt den Stickstoff in Lösung bleiben und führt gegenüber dem nicht nitrierten Werkstoff durch Mischkristallhärtung zu einer Härtesteigerung und der damit verbundenen höheren Verschieißbestädigkeit der Randschicht.Quenching after the thermochemical treatment (high-temperature nitriding) leaves the nitrogen in solution and, compared to the non-nitrided material by solid-solution hardening, leads to an increase in hardness and the associated higher resistance to abrasion of the surface layer.

Die Kinematikkomponenten des Abgasturboladers im niedrigtemperaturbelasteten, nicht Abgas führenden Außenbereich (< 250°C) weisen somit eine erhöhte Verschleißbeständigkeit auf, ohne dass die Korrosionsbeständigkeit reduziert wird.The kinematics components of the exhaust-gas turbocharger in the low-temperature, non-exhaust-carrying outer region (<250 ° C.) thus have increased wear resistance, without the corrosion resistance being reduced.

Die äußeren Kinematikkomponenten eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers mit verbesserter Verschleißbeständigkeit, die im nicht Abgas führenden Außenbereich des Abgasturboladers, die den genannten Temperaturbelastungen unterliegen, sind daher erfindungsgemäße hochlegierte und hochtemperaturnitrierte Stahl-Komponenten mit einer entsprechend höherfesten Randschicht mit gelöstem Stickstoff, die eine verbesserte Betriebssicherheit aufweisen und damit eine höhere Lebensdauer haben.The outer kinematics components of an exhaust gas turbocharger according to the invention with improved wear resistance, which in the non-exhaust leading outside of the exhaust gas turbocharger, which are subject to the above temperature loads are therefore high-alloy and high-temperature nitrided steel components according to the invention with a correspondingly higher-strength boundary layer with dissolved nitrogen, which have improved reliability and thus have a longer life.

Erfindungsgemäß wird daher das an sich bekannte Hochtemperaturnitrieren erstmals bei der Fertigung der Kinematikkomponenten eingesetzt, die zur Anordnung an einem nicht Abgas führenden Außenbereich eines Abgasturboladers vorgesehen sind, um die hochfeste Randschicht mit gelöstem Stickstoff zu erzielen.According to the invention, therefore, the high-temperature nitriding known per se is used for the first time in the manufacture of the kinematics components which are provided for arrangement on a non-exhaust leading outside area of an exhaust gas turbocharger to achieve the high-strength surface layer with dissolved nitrogen.

Ein geeignetes Hochtemperaturnitrierverfahren sieht vor, nichtrostende Stähle mit einer hochfesten Randschicht durch Stickstoffanreicherung zu versehen. Dabei wird die austenitische Randschicht mit ≥ 0,30 Gew.% an gelöstem Stickstoff durch Aufsticken des nichtrostenden Stahls bei einer Temperatur zwischen 1000 und 1200°C in einem stickstoffhaltigen Medium und nachfolgender Abschreckung gebildet, die mit einer solchen Geschwindigkeit erfolgt, dass eine Nitridbildung vermieden wird. Dadurch wird die Randzone der endformnahen Teile aus nichtrostendem Stahl mit gelöstem Stickstoff angereichert und verfestigt. Die Festigkeit der gebildeten Randschicht, die sich gleichzeitig durch die hohe Zähigkeit des Gefüges auszeichnet, und damit der Verschleißwiderstand werden durch Mischkristallhärtung mit Stickstoff erhöht.A suitable high-temperature nitriding process envisages providing stainless steels with a high-strength surface layer by nitrogen enrichment. In this case, the austenitic surface layer is formed with ≥ 0.30 wt.% Of dissolved nitrogen by embroidering the stainless steel at a temperature between 1000 and 1200 ° C in a nitrogen-containing medium and subsequent quenching, which takes place at such a speed that nitride formation avoided becomes. As a result, the edge zone of the near-net shape parts of stainless steel is enriched with dissolved nitrogen and solidified. The strength of the formed surface layer, which is characterized at the same time by the high toughness of the structure, and thus the wear resistance are increased by solid solution hardening with nitrogen.

Im Gegensatz zu den klassischen Nitrierverfahren wird die Korrosionsbeständigkeit der rostfreien Stähle bei Hochtemperaturnitrierung nicht verschlechtert, sondern aufgrund der Tatsache, dass der Stickstoff bei den beim Randaufsticken angewendeten hohen Prozesstemperaturen keine Verbindungen mit dem Chrom eingeht, vielmehr beibehalten.In contrast to the classical nitriding processes, the corrosion resistance of the stainless steels is not degraded in high-temperature nitriding, but rather retained due to the fact that the nitrogen does not make any connections with the chromium at the high process temperatures used in edge-embroidering.

Claims (5)

Kinematikkomponente zur Anordnung an einem nicht Abgas führenden Außenbereich eines Abgasturboladers, dadurch gekennzeichnet, dass die Kinematikkomponente aus einem hochlegierten Stahl aus der Gruppe umfassend ferritische Chromstähle, austenitische Stähle und Duplexstähle besteht, wobei die Kinematikkomponente eine hochfeste Randschicht mit gelöstem Stickstoff aufweist.Kinematikkomponente for arrangement on a non-exhaust leading outside of an exhaust gas turbocharger, characterized in that the kinematics component consists of a high-alloy steel from the group comprising ferritic chromium steels, austenitic steels and duplex steels, wherein the kinematics component has a high-strength surface layer with dissolved nitrogen. Kinematikkomponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kinematikkomponente ein Stellelement für eine Druckdose oder Unterdruckdose des Abgasturboladers ist.Kinematikkomponente according to claim 1, characterized in that the kinematics component is an actuating element for a pressure cell or vacuum unit of the exhaust gas turbocharger. Abgasturbolader, der eine Mehrzahl von Kinematikkomponenten im nicht abgasführenden Außenbereich des Abgasturboladers aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Kinematikkomponenten eine Kinematikkomponente nach Anspruch 1 oder 2 ist.Exhaust gas turbocharger having a plurality of kinematics components in the non-exhaust gas-conducting outer region of the exhaust gas turbocharger, characterized in that at least one of the kinematics components is a kinematics component according to claim 1 or 2. Verwendung eines Hochtemperaturnitrierverfahrens bei der Herstellung einer Kinematikkomponente nach Anspruch 1 oder 2.Use of a high temperature nitriding process in the manufacture of a kinematic component according to claim 1 or 2. Verwendung nach Anspruch 4, wobei das Hochtemperaturnitrierverfahren in einem Temperaturbereich von 1000 bis 1200°C in einem stickstoffhaltigen Medium erfolgt und ein nachfolgendes Abschrecken umfasst.Use according to claim 4, wherein the high-temperature nitriding process is carried out in a temperature range of 1000 to 1200 ° C in a nitrogen-containing medium and comprises a subsequent quenching.